一種機(jī)載高熱流密度表面冷卻系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種機(jī)載高熱流密度表面冷卻系統(tǒng)，由間歇熱載荷表面通過管道依次連接第二儲液器、第二泵、至少一個相變儲熱器、第一儲液器、過濾器、第一泵和霧化噴嘴至間歇熱載荷表面構(gòu)成一循環(huán)系統(tǒng)，其中所述管道中設(shè)有制冷劑，所述相變儲熱器還設(shè)有冷源進(jìn)口和冷源出口。本發(fā)明具有體積小、重量輕，換熱效果好，節(jié)約能源，不產(chǎn)生污染的特點(diǎn)；同時結(jié)構(gòu)緊湊、制造工藝簡單。適用于高熱流密度間歇熱載荷的冷卻。本發(fā)明還公開了一種機(jī)載高熱流密度表面冷卻系統(tǒng)的工作方法。
【專利說明】
一種機(jī)載高熱流密度表面冷卻系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種機(jī)載高熱流密度表面冷卻系統(tǒng)及方法，屬于飛行器環(huán)境控制領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著飛行器機(jī)動性能、隱身性能、防御性能要求地不斷提高，高功率激光技術(shù)、電子元器件高度集成與微型化等技術(shù)得以迅速發(fā)展并逐漸成功運(yùn)用到材料化學(xué)、天文探測等多個領(lǐng)域。近年來，世界各國為了獲得航空及航天領(lǐng)域的跨時代優(yōu)勢，積極開展了下一代戰(zhàn)機(jī)的研究工作。定向能武器為下一代戰(zhàn)機(jī)的標(biāo)配，是亟需攻克的關(guān)鍵技術(shù)堡皇之一。定向能武器的工作為間歇式作戰(zhàn)方式，發(fā)射瞬間幾秒內(nèi)產(chǎn)生兆瓦級的熱量，導(dǎo)致其表面產(chǎn)生極大的熱載荷和極高的熱流密度(熱流密度可達(dá)數(shù)百W/cm2甚至數(shù)千W/cm2)。如此高的熱流密度會降低激光光束的質(zhì)量輸出功率，導(dǎo)致設(shè)備發(fā)熱功率不斷升高，損毀激光介質(zhì)。因此如何高效、可靠地解決機(jī)載定向能武器的快速散熱成為提高其輸出功率的瓶頸，對于提升我國下一代戰(zhàn)機(jī)的作戰(zhàn)能力具有重要的研究意義。
[0003]傳統(tǒng)的散熱方式無法解決高熱流密度的有效散熱。目前噴霧冷卻是高熱流密度電子設(shè)備冷卻領(lǐng)域較有前途的冷卻方式，然而盡管國外的相關(guān)機(jī)構(gòu)對噴霧冷卻高溫表面機(jī)理進(jìn)行了一定程度的研究，但是關(guān)于定向能武器的高熱流密度表面的綜合冷卻系統(tǒng)研究較少，尤其是噴霧系統(tǒng)終端液體的冷卻是個關(guān)鍵問題。飛機(jī)上傳統(tǒng)的最終冷源是沖壓空氣及燃油，若按照最大功率設(shè)計(jì)換熱器則換熱器的體積相對較大、質(zhì)量較重，因此一種基于噴霧冷卻的結(jié)構(gòu)緊湊、體積較小的熱處理方案迫在眉睫。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是針對機(jī)載定向能武器的快速散熱問題，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、重量相對較輕的機(jī)載高熱流密度表面冷卻系統(tǒng)及工作方法。
[0005]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明解決問題所采用的技術(shù)方案是:
[0006]—種機(jī)載高熱流密度表面冷卻系統(tǒng)，包括間歇熱載荷表面18通過管道依次連接第二儲液器19、第二栗20、至少一個相變儲熱器13、第一儲液器14、過濾器15、第一栗16和霧化噴嘴17至間歇熱載荷表面18構(gòu)成一循環(huán)系統(tǒng)，其中所述管道中設(shè)有制冷劑，所述相變儲熱器13還設(shè)有冷源進(jìn)口 23和冷源出口 24。
[0007]進(jìn)一步，所述的冷源為空氣、燃油或者渦輪冷卻空氣中的一種或多種的組合，其選擇取決于間歇熱載荷的熱流密度及相變材料的相變溫度。
[0008]進(jìn)一步，所述的制冷劑為Rl34a，NH3,或去離子水。
[0009]進(jìn)一步，所述的相變儲熱器13包括具有冷源進(jìn)口23和冷源出口 24的箱式殼體，所述箱式殼體中通過設(shè)置第一隔板4和第二隔板6自上而下形成上夾層1、中間夾層2和下夾層3三個相互隔開的密封空腔；
[0010]其中，所述上夾層I位于箱式殼體側(cè)壁上設(shè)置有連通冷源進(jìn)口23的第一冷流體進(jìn)口 11和連通冷源出口 24的第一冷流體出口 21，上夾層I中水平設(shè)置有用于增強(qiáng)換熱的第一折板7。
[0011 ]所述中間夾層2中水平設(shè)置具有熱流體進(jìn)口 9和熱流體出口 10的螺旋盤管5，其中所述熱流體進(jìn)口 9延伸至所述箱式殼體側(cè)壁外與所述第二儲液器19連通，所述熱流體出口10延伸至所述箱式殼體側(cè)壁外與所述第一儲液器14連通。
[0012]所述下夾層3位于箱式殼體側(cè)壁上設(shè)置有連通冷源進(jìn)口23的第二冷流體進(jìn)口 12和連通冷源出口 24的第二冷流體出口 22，下夾層3中水平設(shè)置有用于增強(qiáng)換熱的第二折板8。
[0013]所述的中間夾層2中填充有相變材料，所述相變材料為有機(jī)物、無機(jī)物或復(fù)合物，優(yōu)選為石蠟。所述的中間夾層2中還填充有用于增強(qiáng)所述相變材料導(dǎo)熱的金屬或非金屬的泡沫結(jié)構(gòu)材料。
[0014]所述的第一折板7和第二折板8的斷截面形狀均為波浪形板狀體。
[0015]本發(fā)明的一種機(jī)載高熱流密度表面冷卻系統(tǒng)的工作方法，包括如下步驟:
[0016]當(dāng)間歇熱載荷表面18處于工作時，制冷劑由第一栗16通過霧化噴嘴17對間歇熱載荷表面18進(jìn)行快速冷卻，第一儲液器14中的制冷劑至少滿足間歇熱載荷18的單次工作期，其次吸熱后的制冷劑進(jìn)入第二儲液器19，然后經(jīng)過第二栗20的作用通過螺旋盤管5熱流體進(jìn)口9進(jìn)入相變儲熱器13的中間夾層2，在此工作過程中，相變儲熱器13中的相變介質(zhì)吸收了制冷劑的熱量，冷卻后的制冷劑通過螺旋盤管5的熱流體出口 10進(jìn)入第一儲液器14以實(shí)現(xiàn)一定量的機(jī)載制冷劑循環(huán)使用；
[0017]當(dāng)間歇熱載荷表面18處于不工作時，冷源通過冷源進(jìn)口23進(jìn)入設(shè)置于上夾層I的第一冷流體進(jìn)口 11和下夾層3的第二冷流體進(jìn)口 12，隨之進(jìn)入相變換熱器13;相變換熱器13中間夾層2中的相變介質(zhì)通過相變冷卻過程釋放熱量，同時，冷源吸收熱量后的通過設(shè)置于上夾層I的第一冷流體出口 21和下夾層3的第二冷流體出口 22匯集至冷源出口 24流出相變儲熱器13。
[0018]本發(fā)明具有的特點(diǎn)和有益效果:
[0019]本發(fā)明利用高熱功率表面間歇式工作的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于相變儲熱器的機(jī)載高熱流密度表面冷卻系統(tǒng)，其相對于按照最大功率設(shè)計(jì)的間歇熱載荷綜合熱處理方案來說增加了相變儲熱結(jié)構(gòu)，其按照平均熱功率設(shè)計(jì)。該方案具有體積小、重量低，換熱效果好，節(jié)約能源，不產(chǎn)生污染的特點(diǎn)；同時本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊、制造工藝簡單。
【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明的機(jī)載高熱流密度表面冷卻系統(tǒng)的原理圖；
[0021]圖2是本發(fā)明的機(jī)載高熱流密度表面冷卻系統(tǒng)中的相變儲熱器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖3是圖2的剖切三視圖，其中，圖(a)為剖切后主視圖，圖(b)為剖切后螺旋盤管俯視圖，圖(C)為剖切后右側(cè)視圖；
[0023]圖4是圖2的剖切三視圖立體圖，其中，圖(a)為中間夾層立體圖，圖(b)為平行于yz平面縱剖立體圖，圖(c)為平行于xz平面縱剖立體圖；
[0024]圖5是圖2的左側(cè)視圖；
[0025]圖中編號說明:1.上夾層;2.中間夾層;3.下夾層;4.第一隔板I;5.螺旋盤管;6.第二隔板2; 7.第一折板I ； 8.第二折板2; 9.熱流體進(jìn)口； 10.熱流體出口； 11.第一冷流體進(jìn)口 ；12.第二冷流體進(jìn)口； 13.相變換熱器；14.第一儲液器；15.過濾器；16.第一栗；17.霧化噴嘴；18.間歇熱載荷表面；19.第二儲液器;20.第二栗;21.第一冷流體出口 ；22.第二冷流體出口；23.冷源進(jìn)口；24.冷源出口。
【具體實(shí)施方式】
[0026]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用于解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0027]如圖1至圖5所示，為本發(fā)明的一種機(jī)載高熱流密度表面冷卻系統(tǒng)，包括間歇熱載荷表面18通過管道依次連接第二儲液器19、第二栗20、至少一個相變儲熱器13、第一儲液器14、過濾器15、第一栗16和霧化噴嘴17至間歇熱載荷表面18構(gòu)成一循環(huán)系統(tǒng)，其中所述管道中設(shè)有制冷劑，所述相變儲熱器13還設(shè)有冷源進(jìn)口 23和冷源出口 24。其中，
[0028]所述的相變儲熱器13包括具有冷源進(jìn)口23和冷源出口 24的箱式殼體，所述箱式殼體中通過設(shè)置第一隔板4和第二隔板6自上而下形成上夾層1、中間夾層2和下夾層3三個相互隔開的密封空腔;其中，
[0029]所述上夾層I位于箱式殼體側(cè)壁上設(shè)置有連通冷源進(jìn)口 23的第一冷流體進(jìn)口 11和連通冷源出口 24的第一冷流體出口 21，上夾層I中水平設(shè)置有用于增強(qiáng)換熱的第一折板7。
[0030]所述中間夾層2中水平設(shè)置具有熱流體進(jìn)口9和熱流體出口 10的螺旋盤管5，其中所述熱流體進(jìn)口 9延伸至所述箱式殼體側(cè)壁外與所述第二儲液器19連通，所述熱流體出口10延伸至所述箱式殼體側(cè)壁外與所述第一儲液器14連通。
[0031]所述下夾層3位于箱式殼體側(cè)壁上設(shè)置有連通冷源進(jìn)口23的第二冷流體進(jìn)口 12和連通冷源出口 24的第二冷流體出口 22，下夾層3中水平設(shè)置有用于增強(qiáng)換熱的第二折板8。
[0032]所述的中間夾層2中填充有相變材料，所述相變材料為有機(jī)物、無機(jī)物或復(fù)合物，優(yōu)選為石蠟。所述的中間夾層2中還填充有用于增強(qiáng)所述相變材料導(dǎo)熱的金屬或非金屬的泡沫結(jié)構(gòu)材料。
[0033]所述的第一折板7和第二折板8的斷截面形狀均為波浪形板。
[0034]所述的冷源為空氣、燃油或者渦輪冷卻空氣中的一種或多種的組合，其選擇取決于間歇熱載荷的熱流密度及相變材料的相變溫度。
[0035]所述的制冷劑為Rl34a，NH3,或去離子水。
[0036]如圖1至圖5所示，本發(fā)明的一種機(jī)載高熱流密度表面冷卻系統(tǒng)的工作方法，具體方式是:
[0037]當(dāng)間歇熱載荷表面18處于工作時，制冷劑由第一栗16通過霧化噴嘴17對間歇熱載荷表面18進(jìn)行快速冷卻，第一儲液器14中的制冷劑至少滿足間歇熱載荷18的單次工作期，其次吸熱后的制冷劑進(jìn)入第二儲液器19，然后經(jīng)過第二栗20的作用通過螺旋盤管5熱流體進(jìn)口9進(jìn)入相變儲熱器13的中間夾層2，在此工作過程中，相變儲熱器13中的相變介質(zhì)吸收了制冷劑的熱量，冷卻后的制冷劑通過螺旋盤管5的熱流體出口 10進(jìn)入第一儲液器14以實(shí)現(xiàn)一定量的機(jī)載制冷劑循環(huán)使用；
[0038]當(dāng)間歇熱載荷表面18處于不工作時，冷源通過冷源進(jìn)口23進(jìn)入設(shè)置于上夾層I的第一冷流體進(jìn)口 11和下夾層3的第二冷流體進(jìn)口 12，隨之進(jìn)入相變換熱器13;相變換熱器13中間夾層2中的相變介質(zhì)通過相變冷卻過程釋放熱量，同時，冷源吸收熱量后的通過設(shè)置于上夾層I的第一冷流體出口 21和下夾層3的第二冷流體出口 22匯集至冷源出口 24流出相變儲熱器13。
[0039]另外需要說明的是，在上述【具體實(shí)施方式】中所描述的各個具體技術(shù)特征，在不矛盾的情況下，可以通過任何合適的方式進(jìn)行組合。為了避免不必要的重復(fù)，本發(fā)明對各種可能的組合方式不再另行說明。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種機(jī)載高熱流密度表面冷卻系統(tǒng)，其特征在于:由間歇熱載荷表面(18)通過管道依次連接有第二儲液器(19)、第二栗(20)、至少一個相變儲熱器(13)、第一儲液器(14)、過濾器(15)、第一栗(16)和霧化噴嘴(17)至間歇熱載荷表面(18)構(gòu)成一循環(huán)系統(tǒng)，其中所述管道中設(shè)有制冷劑，所述相變儲熱器(13)還設(shè)有冷源進(jìn)口(23)和冷源出口(24)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種機(jī)載高熱流密度表面冷卻系統(tǒng)，其特征在于:所述的相變儲熱器(13)為具有冷源進(jìn)口( 23)和冷源出口( 24)的箱式殼體，所述箱式殼體中通過設(shè)置第一隔板(4)和第二隔板(6)自上而下形成上夾層(1)、中間夾層(2)和下夾層(3)三個相互隔開的密封空腔;其中， 所述上夾層(I)位于箱式殼體側(cè)壁上設(shè)置有連通冷源進(jìn)口( 23)的第一冷流體進(jìn)口( 11)和連通冷源出口(24)的第一冷流體出口(21)，上夾層(I)中水平設(shè)置有用于增強(qiáng)換熱的第一折板(7); 所述中間夾層(2)中水平設(shè)置具有熱流體進(jìn)口(9)和熱流體出口(10)的螺旋盤管(5)，其中，所述熱流體進(jìn)口(9)延伸至所述箱式殼體側(cè)壁外與所述第二儲液器(19)連通，所述熱流體出口(10)延伸至所述箱式殼體側(cè)壁外與所述第一儲液器(14)連通。 所述下夾層(3)位于箱式殼體側(cè)壁上設(shè)置有連通冷源進(jìn)口(23)的第二冷流體進(jìn)口(12)和連通冷源出口(24)的第二冷流體出口(22)，下夾層(3)中水平設(shè)置有用于增強(qiáng)換熱的第二折板(8)。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種機(jī)載高熱流密度表面冷卻系統(tǒng)，其特征在于:所述的中間夾層(2)中填充有相變材料。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種機(jī)載高熱流密度表面冷卻系統(tǒng)，其特征在于:所述相變材料為有機(jī)物、無機(jī)物或復(fù)合物中的任一種。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種機(jī)載高熱流密度表面冷卻系統(tǒng)，其特征在于:所述的中間夾層(2)中還填充有用于增強(qiáng)所述相變材料導(dǎo)熱的金屬或非金屬的泡沫結(jié)構(gòu)材料。6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種機(jī)載高熱流密度表面冷卻系統(tǒng)，其特征在于:所述的第一折板(7)和第二折板(8)的斷截面形狀均為波浪形板結(jié)構(gòu)。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種機(jī)載高熱流密度表面冷卻系統(tǒng)，其特征在于:所述的冷源為空氣、燃油或者渦輪冷卻空氣中的一種或多種的組合，其選擇取決于間歇熱載荷的熱流密度及相變材料的相變溫度。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種機(jī)載高熱流密度表面冷卻系統(tǒng)，其特征在于:所述的制冷劑為R134a，NH3，或去離子水中的一種。9.一種根據(jù)權(quán)利要求1至8任一項(xiàng)所述的機(jī)載高熱流密度表面冷卻系統(tǒng)的工作方法，其特征在于具體方式是: 當(dāng)間歇熱載荷表面(18)處于工作時，制冷劑由第一栗(16)通過霧化噴嘴(17)對間歇熱載荷表面(18)進(jìn)行快速冷卻，第一儲液器(14)中的制冷劑至少滿足間歇熱載荷(18)的單次工作期，其次吸熱后的制冷劑進(jìn)入第二儲液器(19)，然后經(jīng)過第二栗(20)的作用通過螺旋盤管(5)熱流體進(jìn)口(9)進(jìn)入相變儲熱器(13)的中間夾層(2)，在此工作過程中，相變儲熱器(13)中的相變介質(zhì)吸收了制冷劑的熱量，冷卻后的制冷劑通過螺旋盤管(5)的熱流體出口(10)進(jìn)入第一儲液器(14)以實(shí)現(xiàn)一預(yù)定量的機(jī)載制冷劑循環(huán)使用；當(dāng)間歇熱載荷表面(18)處于不工作時，冷源通過冷源進(jìn)口(23)進(jìn)入設(shè)置于上夾層(I)的第一冷流體進(jìn)口(11)和下夾層(3)的第二冷流體進(jìn)口(12)，隨之進(jìn)入相變換熱器(13);相變換熱器(13)中間夾層(2)中的相變介質(zhì)通過相變冷卻過程釋放熱量，同時，冷源吸收熱量后的通過設(shè)置于上夾層(I)的第一冷流體出口(21)和下夾層(3)的第二冷流體出口(22)匯集至冷源出口( 24)流出相變儲熱器(13)。
【文檔編號】F28D20/00GK106091743SQ201610609605
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月28日 公開號201610609605.X, CN 106091743 A, CN 106091743A, CN 201610609605, CN-A-106091743, CN106091743 A, CN106091743A, CN201610609605, CN201610609605.X
【發(fā)明人】施紅, 高志剛, 裴后舉, 陳常棟, 王飛, 蔣彥龍
【申請人】江蘇科技大學(xué)